Французькі фізики вдвічі прискорили конденсацію і збір роси з плоскої платівки, завдавши на її поверхню паралельні мікрометрові канавки з епоксидної смоли. Крім того, вчені пояснили процеси в рамках якісної моделі, передбачення якої добре узгоджуються з даними спостережень. Теоретично робота вчених дозволить більш ефективно збирати росу в регіонах з дефіцитом питної води. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
За даними ООН, зараз близько 40 відсотків населення Землі страждає від дефіциту води. Тому вчені активно досліджують альтернативні джерела, які можуть компенсувати цей дефіцит. Зокрема, в посушливих регіонах одне з найефективніших джерел - це роса, яка утворюється за рахунок конденсації води на охолодженій поверхні. По-перше, воду, отриману за рахунок конденсації, практично не потрібно додатково очищати. По-друге, зібрати росу можна порівняно просто і дешево. По-третє, при правильній конструкції збирача і сприятливих умовах з кожного квадратного метра поверхні можна отримати близько 700 мілілітрів води за одну ніч.
На жаль, перевищити це значення за допомогою стандартних методів практично неможливо. Справа в тому, що максимальний вихід визначається не тільки швидкістю конденсації, але й ефективністю збору випала роси. З одного боку, найшвидше краплі конденсуються на горизонтальній поверхні. З іншого боку, через поверхневе натягнення краплі починають скочуватися в водозбірник тільки після того, як їх діаметр перевищить певне критичне значення, яке тим більше, чим менше кут нахилу поверхні. Тому вигідно нахиляти поверхню на великий кут, щоб зібрати росу до того, як вона випарується. Компроміс між цими двома процесами, тобто максимальний вихід рідини, досягається для поверхні, яка відхиляється від площини приблизно на 30 градусів. Ще більше збільшити вихід можна тільки зменшивши критичний діаметр крапель.
Група фізиків під керівництвом П'єра-Брайса Бінтейна (Pierre-Brice Bintein) домоглася такого ефекту за допомогою мікрометрових прямокутних канавок, напилених на конденсуючу поверхню. Як підкладку вчені вибрали квадратну кремнієву платівку довжиною десять сантиметрів і товщиною 0,7 міліметра, а в якості матеріалу кордонів канавок - епоксидну смолу SU-8. Характерна глибина канавок і ширина розділяють їх «гірок» становила 100 мікрометрів, висота «гірок» - 40 мікрометрів. Щоб на поверхні платівки конденсувалися краплі, дослідники охолоджували її за допомогою елемента Пельте до чотирьох градусів Цельсія. Щоб підтвердити, що прискорення конденсації пов'язане з формою, а не зі складом поверхні, вчені порівнювали платівку з канавками з контрольними зразками - або просто гладкими поверхнями з кремнію, або повністю покритими епоксидною смолою. Нарешті, щоб виміряти швидкість конденсації води, фізики повертали поверхні в горизонтальне положення і зважували їх.
У результаті вчені виявили, що поверхня з канавками набагато швидше починає збирати воду, ніж гладкі поверхні. При температурі 33 градуса Цельсія, вугіллі нахилу 30 градусів і вологості повітря 50 відсотків на поверхні з канавками краплі з'являлися вже через 15 хвилин після початку експерименту, а через годину вони вже скочувалися вниз. За порівняних умов краплі на плоских поверхнях починали скочуватися приблизно на годину пізніше. Крім того, поверхня з канавками більш ефективно «витягувала» воду з повітря: сумарна площа крапель, які конденсувалися на поверхні, зростала пропорційна Σ∝3,5 (- час, що минув після початку конденсації), тоді як на плоских поверхнях цей параметр зростав квадратично: Σ∝2.
Щоб пояснити спостережувані ефекти, вчені запропонували якісну модель конденсації води на поверхні з канавками. В основному, прискорення конденсації фізики пов'язують з тим, що в канавках утворюються протяжні «водяні нитки» - завдяки цьому ефекту площа, з якою кожна крапля збирає рідину, збільшується порівняно з гладкою поверхнею. Це дозволяє краплям швидше набирати об'єм, частіше стикатися один з одним і, в кінцевому рахунку, перевищувати критичний діаметр, який для поверхонь з канавками і без відрізняється незначно. Побачити ці нитки за допомогою звичайної фотографії дуже складно, тому що вони занадто тонкі. Проте, додаючи у воду флуоресцентну фарбу і просвічуючи поверхню ультрафіолетом, дослідникам вдалося підтвердити це припущення.
За допомогою побудованої моделі фізики розрахували критичну глибину канавок, при якій швидкість конденсації різко зростає порівняно з гладкою поверхнею. Виявилося, що «водяні нитки» утворюються тільки в канавках, глибина яких більша, ніж третина ширини (при вугіллі нахилу площини 30 градусів). В іншому випадку канавкам невигідно вбирати рідину, і поверхня стає ефективно гладкою. Крім того, в рамках тієї ж моделі вчені знайшли, через який проміжок часу краплі починають скочуватися по поверхні. Як і очікувалося, результати обчислень збіглися з даними експерименту (в межах похибок, які були досить високі): чим гірка, що розділяє канавку, тим швидше поверхня починає збирати воду.
У березні минулого року ми вже писали про схожу роботу: тоді група фізиків під керівництвом Вонга Так-Сінга (Tak-Sing Wong) розробила поверхню, яка дозволяє ефективно конденсувати воду і ефективно відводити краплі, що утворилися. Для цього вчені також наносили на поверхню кремнієвої підкладки паралельні прямокутні канавки, однак, на відміну від групи Бінтейна, дослідники змащували поверхню канавок гідрофільним покриттям. Крім того, фізики досліджували роботу системи з подвійною текстурою, в якій на поверхні великих каналів нанесені більш дрібні борозни. Виявилося, що така модифікація ще сильніше підвищує швидкість конденсації і переміщення крапель. Тим не менш, у новій статті фізики на роботу групи Вонга з якоїсь причини не посилаються.